[發明專利]一種三維多孔ZnO納米片球氣敏材料和氣敏元件的制備方法

有效

• 申請號: 201410093953.7
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103901075A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 李峰;鞏飛龍;肖元化;張愛勤;張永輝;韓莉鋒;趙繼紅
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業學院
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;張真真

技術領域

本發明涉及到一種三維多孔ZnO納米片球氣敏材料和氣敏元件的制備方法。

背景技術

丙酮是一種普遍使用的有機試劑，在空氣中易于氧化，而且氧化過程中大量消耗空氣中的氧氣，是一種有害的空氣污染物。丙酮也是一種易燃易爆，有毒極易揮發的液體，其爆炸下限僅為2.6%，報道指出丙酮蒸汽會溶解在血液中，可以刺激人的中樞神經系統，出現乏力、頭痛、嘔吐，甚至昏迷的中毒癥狀，是一種有毒氣體，對人類身體健康和環境都有嚴重的威脅。同時，丙酮也是I-型糖尿病的生物探針分子，可以通過檢查其在病人口腔呼出的氣體中的濃度無損診斷I-型糖尿病。因此，開發快速響應、高靈敏度的丙酮傳感器具有重要意義。ZnO?是最重要的半導體氣敏材料之一，也是制備丙酮傳感器最重要的材料，但其存在靈敏度低，重復性差和不穩定等缺點，使其在實際應用中受到限制。如：啞鈴狀氧化鋅氣敏原件在工作溫度為300?°C時，對100?ppm丙酮的靈敏度為?26.1（Sensor?and?Actuators?B.?2008?,?134?,?166-170）；又如：氧化鋅薄膜在工作溫度為400?°C時對100?ppm丙酮的靈敏度為?30?左右（Vacuum?85,?2010?,?101-106)；再如：氧化鋅空心納米線氣敏元件對100?ppm丙酮的靈敏度為67.?7（中國專利?CN?201110195804）。通過在多空ZnO納米表面修飾Pd納米顆粒，我們發現得到的丙酮傳感器的靈敏度顯著提高?（ACS?Applied?Material?and?Interface,?2012,?4?,?3797-3804）。本發明涉及一種基于三維多孔ZnO納米片球材料的高靈敏度丙酮氣敏元件的制備方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對丙酮傳感器存在靈敏度低，重復性差和不穩定等缺點，提供一種對丙酮氣體具有響應快速，靈敏度高，操作溫度低，同時要求對丙酮氣體具有較高的選擇性的新型氣敏材料及氣敏元件的制備方法。

本發明的技術方案是：一種三維多孔ZnO納米片球氣敏材料的制備方法，利用水熱法合成三維ZnO納米片球材料，然后將納米片球材料在300~600℃下煅燒2?h，得到三維多孔ZnO納米片球；將多孔ZnO納米片球在研缽中研磨均勻，然后在400?~?700?℃煅燒1?~?5?h，得到三維多孔ZnO納米片球氣敏材料。

所述三維多孔ZnO納米片球材料的制備方法如下：將物質的量之比1:1的二水氯化鋅和尿素溶入到去離子水和無水乙醇的混合溶液中，然后在攪拌的狀態下加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮與二水氯化鋅的物質的量之比為1.8~2:1，持續攪拌30~40min，然后將混合溶液轉移到高壓反應釜中并放入干燥箱升溫至180~200℃反應16~20h，反應結束后，待反應釜自然冷卻至室溫，將沉淀物用去離子水和無水乙醇分別離心洗滌3~5次，置于70℃的真空干燥箱中進行干燥。

所述的去離子水和無水乙醇的混合溶液中去離子水和無水乙醇的體積比為1:3，且每1mmol二水氯化鋅和1mmol尿素需要的去離子水的量為10~15ml。

所述三維多孔ZnO納米片球的厚度為20~30nm。

利用三維多孔ZnO納米片球氣敏材料制備氣敏元件的方法，將得到的三維多孔ZnO納米片球氣敏材料在松油醇中研磨0.5~3h后成漿料，然后均勻涂覆在帶有叉狀金電極的氧化鋁陶瓷管表面，在60?~?100?℃烘箱中烘烤0.5?~?5?h，將均勻涂過的陶瓷管放入馬弗爐中，400?~700?℃的條件下煅燒1?~?2?h，焊接、分裝、老化，得到多孔ZnO納米片球氣敏元件。

本發明的技術方案包括氣敏材料與氣敏元件制備兩步，具體步驟如下：

（1）氣敏材料制備：采用300~600℃煅燒三維ZnO前驅物即三維多孔ZnO納米片球材料2h，得到三維多孔ZnO納米片球，600℃下煅燒1?h，即制備得三維多孔ZnO納米片球氣敏材料。

（2）氣敏元件制備：將所制備的三維多孔ZnO納米片球氣敏材料于松油醇中充分研磨混合成漿料，再均勻涂覆在帶有叉狀金電極的氧化鋁陶瓷管表面，然后空氣中500~700℃下煅燒1~2h，接著再按傳統旁熱式氣敏元件的制備方法進行焊接、分裝、老化即制成三維多孔ZnO納米片球氣敏元件。

制備的旁熱式氣敏元件的測試氣氛采用靜態配氣法。氣敏元件靈敏度定義為S?=?Ra/Rg，響應-恢復時間為器件電阻值達到阻值變化最大值90%所需的時間?(Rg為氣敏元件在所測氣體中的電阻，Ra為氣敏元件在空氣中的電阻)。